Rotsachtige planeten, plaattektoniek en water

De aarde is – voor zover we weten – de enige planeet in ons zonnestelsel met plaattektoniek én de enige planeet met leven. En dat is geen toeval…

Water is een voorwaarde voor het ontstaan van plaattektoniek. En plaattektoniek op zijn beurt is een koelmechanisme waarmee planeten hun inwendige warmte kwijtraken. Op de aarde komt water voor, maar de overige rotsplaneten in ons zonnestelsel zijn ‘opgedroogd’ en kennen dan ook geen plaattektoniek. Hoe verliezen zij hun oerwarmte en waar is al dat water gebleven?

Om te achterhalen waarom de overige rotsplaneten (Mercurius, Venus en Mars) zijn opgedroogd en waarom de aarde als enige planeet een natte oase in het zonnestelsel is, moeten we eerst weten waar het water vandaan komt. Eigenlijk zou onze planeet niet nat behoren te zijn, ervan uitgaande dat de aarde als een droge rots rond de jonge zon is gevormd. “De hoeveelheid water in ons zonnestelsel is meer dan drie miljoen maal zoveel als die in onze oceanen. En mogelijk bevatte de gas- en stofwolk waaruit de zon en de planeten 4,6 miljard jaar geleden ontstonden wel duizend keer meer water dan er nu elders in het zonnestelsel aanwezig is,” stelt de Amerikaanse planeetwetenschapper Dan Durda, verbonden aan het Southwest Research Institute in Colorado. “Water is een van de meest voorkomende moleculen in het heelal.”

Water
“De waterstof- en zuurstofatomen waaruit een watermolecuul is opgebouwd, zaten in de oerwolk hoofdzakelijk als OH (hydroxyl) vast in minerale kristalstructuren,” aldus Durda. Gedurende vele miljoenen jaren bonden deze hoog reactieve moleculen aan elkaar tot H2O en klitte als ijs vast aan stofdeeltjes. Toen onze protozon ontbrandde, verdampte het water in zijn omgeving en werd door de zonnewind, die toen veel krachtiger was dan nu, uit de binnenste regionen van het zonnestelsel-in-wording geblazen. Op ongeveer een half miljard kilometer afstand, de zogenoemde sneeuwlijn, is de zon niet meer bij machte waterijs te doen smelten. “Voorbij die zone bestaat vaste materie voor zeker vijftig procent uit waterijs. De rest is rots en metaal. Maar er is ook veel ammonia, methaan- en stikstofijs,” legt Durda uit.

Plaattektoniek
Volgens de theorie van de plaattektoniek bestaat de lithosfeer, de buitenste, circa 100 km dikke laag van hard gesteente op aarde, uit een achttal grotere en een groter aantal kleinere platen of schollen Het gesteente van de astenosfeer daaronder heeft ‘stroperige’ eigenschappen, waardoor daar trage, convectieve stromingen optreden die warmte uit het inwendige van de aarde naar het oppervlak transporteren. De platen in de lithosfeer worden door deze stromingen meegevoerd en bewegen ten opzichte van elkaar. Daar waar twee platen uit elkaar drijven, komt de onderliggende astensfeer omhoog, waardoor dit gesteente (gedeeltelijk) smelt en zijdelings wegstroomt. Als platen op elkaar botsen kan dat leiden tot subductie (waarbij de ene plaat onder de andere schuift), gebergtevorming (als de randen van de botsende platen in elkaar gedrukt worden en gaan plooien) en aardbevingen (langs de randen van de bewegende platen ontstaan spanningen die zich schoksgewijs ontladen). Gebergtevorming, aardbevingen en vulkanisme vinden we dan ook meestal langs de begrenzing van twee platen.

Voorbij de sneeuwgrens vormden zich de gasreuzen Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus, daarbinnen ontstonden de vier kleine rotsplaneten. Na ongeveer zestig miljoen jaar was de aarde voldoende afgekoeld om een korst te vormen. Het eventueel hierin achtergebleven water is door een botsing met de protoplaneet Theia, waaruit later de maan ontstond, verdwenen. Door deze gigantische inslag smolt de prille aardkorst en verdampte vermoedelijk het laatste restje water, waardoor onze planeet kurkdroog achterbleef. Als deze theorie klopt, waar komt dan het water op aarde vandaan? Is het misschien diep in het inwendige achtergebleven dat niet bij de impact van Theia is verdampt? Of is het water later op aarde gekomen?

Inslagen
De theorie dat het water in onze oceanen na het ontstaan van de aarde is afgeleverd door komeetinslagen stamt uit de jaren tachtig. Het idee was toen dat het water afkomstig was van inslagen van kometen uit de Kuipergordel. Dit is een zone voorbij Neptunus waar zich een groot aantal ijsachtige objecten ophoudt: overgebleven restmateriaal uit de koude buitenregionen van het zonnestelsel. Kort na de geboorte van het zonnestelsel werden deze ijsachtige objecten door de zwaartekracht van de pasgevormde, migrerende gasreuzen – die in andere banen ontstonden dan waarin ze nu rond de zon draaien ̶ uit hun baan geslingerd. Een gedeelte daarvan kwam in de binnenste regionen van het zonnestelsel terecht en botste op de aarde. Zo zou het water op onze planeet terecht zijn gekomen. Naar schatting zouden er twintig tot dertig miljoen van zulke kometen hebben moeten inslaan om de oceanen met water te vullen. “We weten nu dat dit niet kan kloppen,” corrigeert Durda. De planeetwetenschapper legt uit dat kometen uit de Kuipergordel meer zwaar water bevatten dan het water in onze oceanen, zo blijkt uit metingen. Bij zwaar water (deuterium) bestaat de kern van waterstofatomen naast een proton ook uit een neutron. In de aardse oceanen komt er ongeveer op elke tienduizend waterstofatomen één deuteriumatoom voor, maar voor kometen uit de Kuipergordel is deze verhouding twee tot drie keer zo groot. De ‘smaak’ van kometenijs komt dus niet overeen met de ‘smaak’ van het water in onze oceanen.

Planetoïden
“De bijdrage van inslaande kometen uit de Kuipergordel bedraagt minder dan een procent,” stelt Durda. Of is het water op aarde misschien afkomstig van ‘natte’ planetoïden uit de planetoïdengordel? Deze theorie kreeg een boost in 2011, toen ruimtesonde Dawn in een baan rond planetoïde Vesta terecht kwam. Dawn stelde vast dat op Vesta mogelijk sporen van de inwerking van vloeibaar water voorkomen. Ook kon de ruimtesonde bevestigen dat Vesta de bron is van zogeheten HED-meteorieten (howardieten, eucrieten en diogenieten). En hydroxyl in eucrieten blijkt dezelfde verhouding tussen deuterium en waterstof te hebben als het water op aarde. Durda legt uit dat veel planetoïden voor vijf tot twintig massaprocent uit chemisch gebonden water bestaan, die hier door en hevig bombardement in de prille jeugd van het zonnestelsel zijn ingeslagen.
Toch bestaat er ook twijfel over de planetoïdentheorie. Durda en ook andere wetenschappers vermoeden dat slechts tien procent van het water op aarde afkomstig is van planetoïdeninslagen. “Waar het meeste water dan vandaan komt is nog niet met zekerheid te zeggen. Het kan zijn dat de aarde en de overige rotsplaneten toch ‘nat’ geboren zijn. Ze zouden zijn ontstaan uit materiaal afkomstig van voorbij de sneeuwgrens, dat bij de migratie van de vier gasreuzen richting de zon is geslingerd. Het meeste water op aarde zou dus ‘aangeboren’ zijn en het laatste restje is later vermoedelijk toegevoegd door inslaande planetoïden uit de planetoïdengordel.”

Opgedroogd
Waarom zijn wij nog ‘nat’ en onze buren ‘opgedroogd’? Ten eerste is de aarde groot genoeg om met haar zwaartekracht een atmosfeer en daarmee ook vloeibaar oppervlaktewater vast te houden. En ten tweede omdat de aarde als enige van de vier rotsplaneten een roterende, gesmolten (buiten)kern van ijzer bezit. Door de rotatie van de aarde en convectiestromen in die kern wordt een krachtig magnetisch veld opgewekt dat de atmosfeer beschermt tegen de invloed van zonnewind. Deze stroom van geladen deeltjes kan een planeet op relatief kleine afstand tot de zon geleidelijk aan ‘wegblazen’. De kleinste planeet Mercurius, net een slagje groter dan onze maan, heeft te weinig zwaartekracht voor een atmosfeer. Venus is ongeveer even groot als de aarde en heeft wel een atmosfeer, zelfs een stuk dikker dan die van onze planeet. Maar vanwege de geringere afstand tot de zon warmde Venus veel sneller op. Oceanen verdampten en de waterdamp fungeerde als een krachtig broeikasgas. Door de ultraviolette straling van de zon werden de watermoleculen gesplitst in waterstof en zuurstof, waarbij het lichtere waterstof de ruimte in ontsnapte. Het laatste restje vocht werd letterlijk uit de rotsen gekookt.

Mars, een slagje kleiner dan de aarde, heeft een ijle atmosfeer met een luchtdruk van minder dan 1 procent van die op aarde. Dat komt doordat de rode planeet door zijn geringere omvang geen gesmolten kern meer heeft (kleine planeten hebben een groter oppervlak in verhouding tot hun volume, waardoor ze eerder inwendige warmte kwijtraken) en dientengevolge dus ook geen magnetisch veld meer om de atmosfeer tegen de invloed van zonnewind te beschermen. Toch moet de planeet in het verre verleden een dikkere atmosfeer hebben gehad die vloeibaar oppervlaktewater mogelijk maakte. Want het noordelijk halfrond is ooit bedekt geweest met een oceaan. En droge rivierbeddingen op het zuidelijk halfrond verraden dat water er rijkelijk moet hebben gevloeid. De Marsatmosfeer is uiteindelijk door de zonnewind weggeblazen en de planeet verloor een groot deel van zijn watervoorraad op dezelfde wijze als Venus. De rest zit als ijs in de bodem opgeslagen. De overgebleven zuurstof oxideerde met mineralen in de rotsen. Vandaar dat Mars roestachtig bruine kleur heeft.

Smeermiddel
De aarde is de enige rotsplaneet met vloeibaar water aan het oppervlak. Het is niet te heet zoals op Mercurius en Venus of te koud zoals op Mars. Onze planeet ligt in de zogeheten bewoonbare zone waar de omstandigheden zodanig zijn dat er aan het oppervlak leven kan voorkomen. De aarde is ook de enige planeet met plaattektoniek. En dat is weer mogelijk vanwege de aanwezigheid van vloeibaar water. “Zonder water geen plaattektoniek!” stelt Frank Beunk verbonden aan de Vrije Universiteit te Amsterdam. In zijn artikelen ‘Wat drijft plaattektoniek?’ (Grondboor & hamer, 71(1), blz. 2-11) en ‘Water in de endogene processen’ (Grondboor & Hamer, (4/5). Blz. 118-123) beschrijft Beunk de drijvende krachten achter de plaattektoniek en de rol van water daarin. “Het faciliteert de tektoniek door smeltpuntverlaging. Water is hierbij een smeermiddel.” De aardwetenschapper legt uit dat droog gesteente pas smelt bij een temperatuur van meer dan duizend graden Celsius. Maar wanneer hier water aan toegevoegd wordt, daalt het smeltpunt met honderden graden. Hierdoor kunnen de platen makkelijker ten opzichte van elkaar bewegen. Bij subductie (zie het kader Plaattektoniek) kan een plaat dan gemakkelijker de aardmantel in glijden en welt magma bij de mid-oceanische ruggen gemakkelijker omhoog, waardoor de aangrenzende platen uiteengedrukt worden. Veel water zit chemisch gebonden in gesteenten, maar er is ook veel vloeibaar water mee gemoeid. Beunk: “Zo stroomt een heel oceaanvolume in enkele tientallen miljoenen jaren door de rekscheuren van mid-oceanische ruggen heen.” Wat ook helpt is dat er in het inwendige van de aarde nog steeds hitte wordt gegenereerd door radioactief verval van chemische elementen in gesteenten. En als relatief grote rotsplaneet houdt de aarde deze warmte langer vast. Beunk: “De plaattektoniek werkt als een koelmechanisme waarmee de inwendige warmte naar buiten wordt getransporteerd. De mid-oceanische ruggen zijn hierbij de belangrijkste warmtelekken.”

De rotsplaneten
“Toch weten we niet zeker of de aarde de enige planeet is met plaattektoniek,” meent Durda. Volgens hem zijn er op Mars aanwijzingen van beginnende tektoniek, die echter al snel tot stilstand kwam. “Het gigantische Valles Marineris-kloofsysteem kan hiervoor een aanwijzing zijn.” De reden dat de prille plaattektoniek is gestopt, heeft volgens Beunk te maken met het feit dat de planeet al vroeg in de geschiedenis zijn vloeibaar water is kwijtgeraakt en hierdoor waarschijnlijk ook geen plastische asthenosfeer heeft. Door het gebrek aan water kan er geen smeltpuntverlaging optreden. “Mars heeft ongetwijfeld wel diepe mantelconvectie gekend, anders zouden er geen reuzenvulkanen kunnen hebben ontstaan zoals Olympus Mons.”

Daarnaast is Mars kleiner dan de aarde en heeft daarom zijn inwendige warmte al vrij vroeg verloren, zodat er geen convectieve astenosfeer in stand gehouden kon worden. Serieuze plaattektoniek is dan onmogelijk. Durda: “Het inwendige is substantieel koeler. Denk aan een paar duizend graden. De kern en de mantel zijn min of meer gestold.” Mercurius en onze maan zijn door hun geringe omvang inwendig nagenoeg afgekoeld. Dat geldt echter niet voor Venus die bijna net zo groot is als de aarde. “Venus verliest haar inwendige warmte niet door plaattektoniek, maar door vulkanisme. De vulkanen op Venus zijn het resultaat van zogeheten mantelpluimen, waarin vloeibaar magma afkomstig van diep in de mantel dwars door de korst heen breekt,” legt Beunk uit. Naast het gegeven dat voor plaattektoniek water noodzakelijk is, zijn er ook scherpe plaatgrenzen nodig. “Daar is het gesteente met een oppervlaktetemperatuur van bijna vijfhonderd graden te zacht voor.” De theorie dat het inwendige van Venus de hitte eens in de tachtig tot honderd miljoen jaar naar buiten perst, waarbij het volledige oppervlak wordt omgevormd door grootschalige vulkanische activiteit, acht Durda onwaarschijnlijk. “In plaats daarvan acht ik het waarschijnlijker dat het gehele oppervlak permanent vulkanisch actief is en hierdoor telkens wordt vernieuwd.”

Leven
Hoelang de aarde plaattektoniek kent is onbekend. In ieder geval al voor het openbreken van het oercontinent Pangea 250 miljoen jaar geleden. “Dat is onderwerp van discussie,” aldus Beunk. “De conclusies lopen uiteen van tussen de vier miljard en 550 miljoen jaar.” Hoe de plaattektoniek precies begon is ook onzeker. “Mogelijk dat na de inslag van Theia anderhalf miljard jaar later de aarde zover afkoelde dat er schollen van gestolde lava ontstonden die door de convectie daaronder gingen bewegen,” suggereert Durda. Maar hij gaat verder. “Door een atmosfeer met vloeibaar water, plantengroei, sedimentatie en plaattektoniek wordt CO2 uit de atmosfeer terug de aarde in gestuurd, waardoor onze planeet een verstikkend broeikaseffect zoals op Venus bespaard is gebleven. Dit is een prachtig voorbeeld waarbij biologie en geologie samenwerken.” Het lijkt er volgens Durda op dat de plaattektoniek zelfs een voorwaarde is voor het bestaan van leven. “Zonder water geen plaattektoniek,” zegt Beunk. Durda is nog stelliger: “Zonder plaattektoniek geen leven. En zonder leven geen plaattektoniek.”